JVM 堆內(nèi)存

1. 前言

本節(jié)主要講解運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的堆內(nèi)存。本節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)如下：

• 掌握堆內(nèi)存空間結(jié)構(gòu)圖，從總體層面認(rèn)識(shí)堆內(nèi)存，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 了解 JVM 堆空間的基本概念，為本節(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)；
• 了解堆內(nèi)存的分代概念，年輕代，eden區(qū)，from/to，幸存者及老年代，為本節(jié)核心知識(shí)點(diǎn)，后續(xù)對(duì)垃圾回收講解時(shí)，大部分的回收都是發(fā)生在堆內(nèi)存中，掌握分代概念是學(xué)習(xí)垃圾回收機(jī)制的必要前提。

2. 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)

堆內(nèi)存是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中非常重要的結(jié)構(gòu)，實(shí)例對(duì)象會(huì)存放于堆內(nèi)存中。在后續(xù)小節(jié)中，我們講解 GC 垃圾回收器，絕大多數(shù)的垃圾回收都發(fā)生在堆內(nèi)存中，因此對(duì)于 JVM 來(lái)說(shuō)，堆內(nèi)存占據(jù)著十分重要的且不可替代的位置。

我們先來(lái)看下堆內(nèi)存的結(jié)構(gòu)圖，初步了解堆內(nèi)存的整體內(nèi)存劃分。

從上圖可以看到如下幾個(gè)要點(diǎn)：

• 堆內(nèi)存從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)分為年輕代（YoungGen）和老年代（OldGen）兩部分；
• 年輕代（YoungGen）又可以分為生成區(qū)（Eden）和幸存者區(qū)（Survivor）兩部分；
• 幸存者區(qū)（Survivor）又可細(xì)分為 S0區(qū)（from space）和 S1區(qū) (to space)兩部分。

從圖中，我們能夠大體了解堆內(nèi)存的結(jié)構(gòu)劃分，后文在講解分代概念時(shí)，我們會(huì)提供更加直觀，更加清晰的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖。

3. 什么是堆內(nèi)存

物理層面：從物理層面（硬件層面）來(lái)說(shuō)，當(dāng) Java 程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，JVM 會(huì)從操作系統(tǒng)獲取一些內(nèi)存。JVM 使用這些內(nèi)存，這些內(nèi)存的一部分就是堆內(nèi)存。

Java層面：從開(kāi)發(fā)層面來(lái)說(shuō)，堆內(nèi)存通常在存儲(chǔ)地址的底層，向上排列。當(dāng)一個(gè)對(duì)象通過(guò) new 關(guān)鍵字或通過(guò)其他方式創(chuàng)建后，對(duì)象從堆中獲得內(nèi)存。當(dāng)對(duì)象不再使用了，被當(dāng)做垃圾回收掉后，這些內(nèi)存又重新回到堆內(nèi)存中。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，堆內(nèi)存是JVM啟動(dòng)時(shí)，從操作系統(tǒng)獲取的一片內(nèi)存空間，他主要用于存放實(shí)例對(duì)象本身，創(chuàng)建完成的對(duì)象會(huì)放置到堆內(nèi)存中。

4. 堆內(nèi)存的分代概念

從上文堆內(nèi)存的結(jié)構(gòu)圖中，我們看到了比較多的JVM堆內(nèi)存中的專有名詞，比如：年輕代，老年代。那么對(duì)于堆內(nèi)存來(lái)說(shuō)，分代是什么意思呢？為什么要進(jìn)行分代呢？

分代：將堆內(nèi)存從概念層面進(jìn)行模塊劃分，總體分為兩大部分，年輕代和老年代。從物理層面將堆內(nèi)存進(jìn)行內(nèi)存容量劃分，一部分分給年輕代，一部分分給老年代。這就是我們所說(shuō)的分代。

分代的意義：易于堆內(nèi)存分類管理，易于垃圾回收。類似于我們經(jīng)常使用的 Windows 操作系統(tǒng)，我們會(huì)將物理磁盤劃出一部分存儲(chǔ)空間作為用戶系統(tǒng)安裝盤（如 C 盤），我們還極大可能將剩余的磁盤空間劃分為 C, D, E 等磁盤，用于存儲(chǔ)同一類型的數(shù)據(jù)。

• 易于管理：對(duì)于堆空間的分代也是如此，比如新創(chuàng)建的對(duì)象會(huì)進(jìn)入年輕代（YoungGen）的生成區(qū)（Eden），生命周期未結(jié)束的且可達(dá)的對(duì)象，在經(jīng)歷多次垃圾回收之后，會(huì)存放入老年代（OldGen），這就是分類管理；

• 易于垃圾回收：將對(duì)象根據(jù)存活概率進(jìn)行分類，對(duì)存活時(shí)間長(zhǎng)的對(duì)象，放到固定區(qū)，從而減少掃描垃圾時(shí)間及 GC 頻率。針對(duì)分類進(jìn)行不同的垃圾回收算法，對(duì)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短。

Tips：關(guān)于上文提到的垃圾回收部分的知識(shí)，我們會(huì)在后邊的章節(jié)做專門的、詳細(xì)的講解，此處我們先做了解即可。

5. 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)詳解

講解完分代的概念，我們來(lái)對(duì)堆內(nèi)存中的不同的代，不同的內(nèi)存空間的作用進(jìn)行更加詳細(xì)的講解。講解之前，我們來(lái)看下如下示意圖，更加直觀的了解堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

堆內(nèi)存每個(gè)模塊之間的關(guān)系及各自的特點(diǎn)概述如下：

• JVM 內(nèi)存劃分為堆內(nèi)存和非堆內(nèi)存，堆內(nèi)存分為年輕代（YoungGen）、老年代（OldGen）；
• 年輕代又分為 Eden 和 Survivor 區(qū)。Survivor 區(qū)由 FromSpace 和 ToSpace 組成。Eden 區(qū)占大容量，Survivor 兩個(gè)區(qū)占小容量，默認(rèn)比例是 8:1:1；
• 堆內(nèi)存存放的是對(duì)象，垃圾收集器就是收集這些對(duì)象，然后根據(jù) GC 算法回收；
• 新生成的對(duì)象首先放到年輕代 Eden 區(qū)，當(dāng) Eden 空間滿了，觸發(fā) Minor GC，存活下來(lái)的對(duì)象移動(dòng)到Survivor0 區(qū)，Survivor0 區(qū)滿后觸發(fā)執(zhí)行 Minor GC，Survivor0 區(qū)存活對(duì)象移動(dòng)到 Suvivor1 區(qū)，這樣保證了一段時(shí)間內(nèi)總有一個(gè) survivor 區(qū)為空。經(jīng)過(guò)多次 Minor GC 仍然存活的對(duì)象移動(dòng)到老年代；
• 老年代存儲(chǔ)長(zhǎng)期存活的對(duì)象，GC 期間會(huì)停止所有線程等待 GC 完成，所以對(duì)響應(yīng)要求高的應(yīng)用盡量減少發(fā)生 Major GC，避免響應(yīng)超時(shí)。

Tips：關(guān)于上文提到的垃圾回收部分的知識(shí)，我們會(huì)在后邊的章節(jié)做專門的、詳細(xì)的講解，此處我們主要關(guān)注在堆內(nèi)存的每個(gè)模塊的概念，特點(diǎn)及作用。對(duì)于垃圾回收部分的知識(shí)，我們后續(xù)再進(jìn)行學(xué)習(xí)。

6. 小結(jié)

本節(jié)主要講解了運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)里邊的堆內(nèi)存，堆內(nèi)存是一塊共享內(nèi)存區(qū)域，在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)占據(jù)著十分重要的位置。我們了解了堆內(nèi)存里的分代概念，并從示意圖中直觀的感受了堆內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。我們了解了堆內(nèi)存中不同內(nèi)存空間模塊的作用、特點(diǎn)及意義。這都是非常重要的知識(shí)點(diǎn)。

由于垃圾回收絕大多數(shù)都是發(fā)生在堆內(nèi)存中，因此在課程講解的過(guò)程中，多少會(huì)涉及到垃圾回收的一些概念，此處如果不能理解的學(xué)習(xí)者，可以在學(xué)習(xí)完垃圾回收器后再次理解目前不能夠掌握的知識(shí)。